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Ondas retinianas

Las ondas retinianas son ráfagas espontáneas de potenciales de acción que se propagan de forma ondulatoria a través de la retina en desarrollo . Estas ondas se producen antes de...

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Las ondas retinianas son ráfagas espontáneas de potenciales de acción que se propagan de forma ondulatoria a través de la retina en desarrollo . Estas ondas se producen antes de la maduración de los bastones y conos , y antes de que se desarrolle la visión . Las señales de las ondas retinianas impulsan la actividad del núcleo geniculado lateral dorsal (NGLD) y la corteza visual primaria . Se cree que las ondas se propagan a través de las células vecinas en direcciones aleatorias determinadas por los periodos refractarios que siguen a la despolarización inicial. Se piensa que las ondas retinianas poseen propiedades que definen la conectividad temprana de los circuitos y las sinapsis entre las células de la retina. Aún existe un amplio debate sobre el papel exacto de las ondas retinianas. Algunos sostienen que las ondas son instructivas en la formación de las vías retinogeniculadas, mientras que otros argumentan que la actividad es necesaria, pero no instructiva, en la formación de dichas vías.

Descubrimiento

Uno de los primeros científicos en teorizar sobre la existencia de cascadas espontáneas de actividad eléctrica durante el desarrollo de la retina fue el neurobiólogo computacional David J. Willshaw. Propuso que las células adyacentes generan actividad eléctrica en forma de onda a través de capas de células presinápticas y postsinápticas interconectadas. Se cree que la actividad que se propaga a través de un rango cercano de células pre- y postsinápticas produce una actividad eléctrica intensa en comparación con las células pre- y postsinápticas más distantes, lo que resulta en una actividad más débil. Willshaw pensaba que esta diferencia en la intensidad de disparo y la ubicación de las células era responsable de determinar los límites de la actividad. Se cree que el movimiento lateral del disparo de célula vecina a célula vecina, que comienza en un área aleatoria de células y se extiende a través de las capas pre- y postsinápticas, es responsable de la formación del mapa retinotópico. Para simular la cascada de actividad eléctrica, Willshaw escribió un programa informático para demostrar el movimiento de la actividad eléctrica entre las capas de células pre- y postsinápticas. Lo que Willshaw denominó "actividad eléctrica espontánea con patrones" se conoce hoy como "ondas retinianas". [ 1 ]

Partiendo de este concepto puramente teórico, los científicos italianos Lucia Galli y Lamberto Maffei utilizaron modelos animales para observar la actividad eléctrica en las células ganglionares de la retina. Antes de Galli y Maffei, la actividad de las células ganglionares de la retina nunca se había registrado durante el desarrollo prenatal. Para estudiar la actividad ganglionar, Galli y Maffei utilizaron retinas de ratas prematuras, entre los días embrionarios 17 y 21, para registrar la actividad eléctrica. Se utilizaron varias células individuales aisladas para este estudio. Los registros mostraron que la actividad celular era catalizada por las células ganglionares. Galli y Maffei especularon que la actividad eléctrica observada en las células ganglionares de la retina podría ser responsable de la formación de conexiones sinápticas retinianas y de las proyecciones de las células ganglionares de la retina al colículo superior y al núcleo geniculado lateral (NGL). [ 2 ]

A medida que se consolidaba la idea de las ondas retinianas, la neurobióloga Carla Shatz utilizó imágenes de calcio y registros con microelectrodos para visualizar el movimiento de los potenciales de acción en una formación ondulatoria. Para obtener más información sobre imágenes de calcio y registros con microelectrodos, consulte la sección siguiente. Las imágenes de calcio mostraron que las células ganglionares iniciaban la formación de ondas retinianas, junto con las células amacrinas adyacentes , que participan en el movimiento de la actividad eléctrica. También se consideró que los registros con microelectrodos mostraban que las neuronas del núcleo geniculado lateral (NGL) eran impulsadas por la formación ondulatoria de la actividad eléctrica a través de las células ganglionares retinianas vecinas. A partir de estos resultados, se sugirió que las ondas de actividad eléctrica eran responsables de impulsar el patrón de actividad espaciotemporal y también desempeñaban un papel en la formación del sistema visual durante el desarrollo prenatal. [ 3 ]

Rachel Wong es otra investigadora involucrada en el estudio de las ondas retinianas. Wong especuló que la actividad eléctrica dentro de la retina participa en la organización de las proyecciones retinianas durante el desarrollo prenatal. Más específicamente, la actividad eléctrica podría ser responsable de la segregación y organización del núcleo geniculado lateral dorsal (dLGN). Wong también especuló que partes específicas del sistema visual, como las columnas de dominancia ocular , requieren algún tipo de actividad eléctrica para desarrollarse completamente. Asimismo, creía que descifrar las señales codificadas por las ondas retinianas podría permitir a los científicos comprender mejor el papel de estas ondas en el desarrollo de la retina. [ 4 ]

Algunas de las investigaciones más recientes buscan comprender mejor las señales codificadas de las ondas retinianas durante el desarrollo. Según la investigación de Evelyne Sernagor, se cree que las ondas retinianas no solo son necesarias para su actividad eléctrica espontánea, sino que también son responsables de codificar información que se utiliza en la formación de patrones espaciotemporales, lo que permite que las vías retinianas se perfeccionen. Para probar este concepto, Sernagor empleó imágenes de calcio en tortugas para observar el cambio en las ondas retinianas durante las distintas etapas del desarrollo de la retina. El estudio reveló que, en las primeras etapas del desarrollo, las ondas retinianas se disparan de forma rápida y repetida, generando lo que se cree que es una gran onda de potenciales de acción en la retina. Sin embargo, a medida que la tortuga se acerca a la finalización de su desarrollo, las ondas retinianas dejan de propagarse gradualmente y se convierten en grupos inmóviles de células ganglionares de la retina. Se cree que esto se debe a que el GABA cambia de excitatorio a inhibitorio durante el desarrollo continuo de la retina. Aún se desconoce si este cambio en la formación de ondas retinianas durante el desarrollo es exclusivo de las tortugas. [ 5 ]

Observación de ondas en otros sistemas

La generación y propagación espontánea de ondas se observa en otros circuitos en desarrollo. Se ha observado una actividad espontánea sincronizada similar en las primeras etapas del desarrollo en neuronas del hipocampo , la médula espinal y los núcleos auditivos. [ 6 ] La actividad estructurada que moldea las conexiones neuronales y controla la eficiencia sináptica en múltiples sistemas, incluida la retina, es importante para comprender la interacción entre las células presinápticas y postsinápticas que crean conexiones precisas esenciales para el funcionamiento del sistema nervioso. [ 4 ]

Desarrollo

Durante el desarrollo, la comunicación a través de la sinapsis es importante entre las células amacrinas y otras interneuronas retinianas, así como las células ganglionares , que actúan como sustrato para las ondas retinianas. [ 4 ] Hay tres etapas de desarrollo que caracterizan la actividad de las ondas retinianas en mamíferos. Antes del nacimiento, las ondas están mediadas por corrientes no sinápticas; las ondas durante el período desde el nacimiento hasta los 10 días después del nacimiento están mediadas por el neurotransmisor acetilcolina que actúa sobre los receptores nicotínicos de acetilcolina ; y las ondas durante el tercer período, desde los 10 días después del nacimiento hasta las 2 semanas, están mediadas por receptores ionotrópicos de glutamato . [ 7 ]

Las sinapsis químicas durante el período de onda colinérgica involucran a las células amacrinas estrelladas (SAC) que liberan acetilcolina sobre otras SAC, las cuales propagan las ondas. Durante este período, la producción de ondas colinérgicas supera la producción de ondas a través de uniones comunicantes , cuyas señales se reducen considerablemente. Esta señalización ocurre antes de que las células bipolares formen conexiones en la capa plexiforme interna . Se cree que las SAC son la fuente de las ondas retinianas, ya que se han observado despolarizaciones espontáneas sin excitación sináptica. [ 7 ]

La actividad de las ondas colinérgicas finalmente desaparece, y la liberación de glutamato en las células bipolares genera ondas. [ 7 ] Las células bipolares se diferencian más tarde que las células amacrinas y ganglionares, lo que podría ser la causa de este cambio en el comportamiento de las ondas. [ 4 ] El cambio de la mediación colinérgica a la glutamatérgica ocurre cuando las células bipolares establecen sus primeras conexiones sinápticas con las células ganglionares. [ 7 ] El glutamato, el neurotransmisor contenido en las células bipolares, genera actividad espontánea en las células ganglionares. Las ondas siguen presentes después de que las células bipolares establecen la conexión sináptica con las células amacrinas y ganglionares. [ 4 ]

La actividad adicional involucrada en las ondas retinianas incluye lo siguiente. En ciertas especies, el GABA parece desempeñar un papel en la frecuencia y duración de las descargas en las células ganglionares. Las interacciones en las células varían en diferentes sujetos de prueba y en diferentes niveles de madurez, especialmente las interacciones complejas mediadas por las células amacrinas. La actividad propagada a través de uniones comunicantes no se ha observado en todos los sujetos de prueba; por ejemplo, la investigación ha demostrado que las células ganglionares de la retina del hurón no están acopladas. Otros estudios han demostrado que los agentes excitatorios extracelulares, como el potasio, podrían ser fundamentales en la propagación de las ondas. La investigación sugiere que las redes sinápticas de las células amacrinas y ganglionares son necesarias para la producción de ondas. En términos generales, las ondas se producen y continúan durante un período de desarrollo relativamente largo, durante el cual se agregan nuevos componentes celulares de la retina y sinapsis. La variación en los mecanismos de las ondas retinianas explica la diversidad en las conexiones entre las células y la maduración de los procesos en la retina. [ 4 ]

Patrón de actividad de las ondas

Las ondas se generan aleatoriamente, pero su alcance espacial está limitado debido a un período refractario en las células tras la producción de ráfagas de potenciales de acción. Una vez que una onda se ha propagado en un lugar, no puede propagarse de nuevo en el mismo sitio. Las áreas refractarias inducidas por ondas duran entre 40 y 60 segundos. Las investigaciones sugieren que cada región de la retina tiene la misma probabilidad de generar y propagar una onda. El período refractario también determina la velocidad (distancia entre frentes de onda por unidad de tiempo) y la periodicidad (intervalo de tiempo promedio entre transitorios de calcio o despolarizaciones inducidas por ondas registradas en una neurona específica de la capa de células ganglionares ). La densidad de células refractarias se corresponde con la velocidad de propagación de las ondas retinianas; por ejemplo, si hay un número o densidad bajos de células refractarias, la velocidad de propagación será alta. [ 8 ]

Procedimientos experimentales

Visualización de ondas

Dos métodos principales para visualizar las ondas retinianas son la obtención de imágenes de calcio y la matriz de multielectrodos . La obtención de imágenes de calcio permite analizar el patrón de ondas en una amplia zona de la retina (mayor que con el registro multielectrodo). Este tipo de imágenes ha permitido a los investigadores estudiar las propiedades espaciotemporales de las ondas, así como su mecanismo y función durante el desarrollo.

Ondas perturbadoras

Actualmente se utilizan tres técnicas principales para interrumpir las ondas retinianas: la inyección intraocular de sustancias farmacológicas que alteran los patrones de onda, el uso de inmunotoxinas que eliminan ciertas clases de células amacrinas o el uso de líneas de ratones knockout que tienen patrones de disparo espontáneo alterados. [ 9 ] Hay varios agentes farmacológicos que se pueden usar para interrumpir la actividad retiniana. La tetrodotoxina (TTX) se puede inyectar cerca del tracto óptico para bloquear la actividad retiniana entrante, además de la actividad saliente de las neuronas geniculadas laterales. [ 10 ] Las inyecciones intraoculares de epibatidina , un agonista colinérgico, se pueden usar para bloquear el disparo espontáneo en la mitad de todas las células ganglionares de la retina y causar disparo no correlacionado en la mitad restante. [ 9 ] Los efectos de los agentes farmacológicos sobre la actividad de las células ganglionares de la retina se observan usando MEA o imágenes de calcio. Las inmunotoxinas se pueden usar para atacar las células amacrinas estrelladas. Las células amacrinas estrelladas son interneuronas retinianas responsables de las ondas retinianas colinérgicas. [ 9 ] El tercer método consiste en utilizar ratones knockout con patrones de disparo espontáneo alterados. La línea de ratón más común para este método es la knockout de la subunidad beta-2 del receptor nicotínico de acetilcolina neuronal (β2-nAChR-KO). Se ha observado que los ratones β2-nAChR-KO presentan una reducción del refinamiento retinotópico específico del ojo, similar a la inyección de epibatidina, así como la ausencia de ondas correlacionadas, tal como se observa en las imágenes de calcio y el registro MEA. [ 9 ]

Papel controvertido en el desarrollo neuronal

Actualmente, persiste una gran controversia sobre si las ondas retinianas desempeñan un papel "instructivo" o "permisivo" en la formación de proyecciones específicas del ojo en la vía retinogeniculada. Las inyecciones de agentes farmacológicos impiden la formación de entradas retinogeniculadas específicas del ojo, lo que indica que las ondas retinianas desempeñan algún papel en dicha formación. Se ha observado que los ratones β2-nAChR-KO presentan patrones alterados de disparo espontáneo. Si bien los experimentos realizados hasta la fecha en líneas knock-out han ayudado a explicar algunos aspectos de las ondas retinianas, solo los experimentos realizados in vivo a temperatura corporal normal y en un entorno químico normal pueden determinar con certeza cuál es el patrón real de disparo en los animales knock-out. [ 9 ] [ 10 ]

Argumento instructivo

Se ha descubierto que la actividad de las ondas retinianas coincide con el período en el que se forman las proyecciones retinogeniculadas específicas del ojo. Esta superposición temporal sería necesaria para una relación causal. Las inyecciones de TTX en gatos fetales impidieron la formación de proyecciones retinogeniculadas específicas del ojo, lo que indica que la actividad neuronal es necesaria para la formación de capas específicas del ojo. [ 10 ] Después del tratamiento con epibatidina, la falta de disparo correlacionado en la mitad restante de las células ganglionares de la retina a pesar del disparo robusto así como la falta de formación de capas específicas del ojo pueden indicarse como prueba de que las ondas juegan un papel instructivo. [ 9 ] La observación de imágenes de calcio después del uso de inmunotoxina mostró que todavía quedaba algo de disparo correlacionado donde el registro de pinzamiento de voltaje acoplado mostró una reducción significativa en el disparo correlacionado. [ 9 ] El disparo correlacionado restante podría explicar la formación de proyecciones retinogeniculadas específicas del ojo que se encontró. Usando imágenes de calcio y registro MEA, se ha demostrado que estas células no tienen disparo correlacionado. En cambio, se han observado tasas de disparo reducidas, y la despolarización en una célula pareció inhibir las células circundantes. [ 9 ] El patrón de disparo alterado de los ratones β2-nAChR-KO también es controvertido, ya que ha habido algunas evidencias de que el disparo correlacionado todavía ocurre en los ratones knock-out, como se detalla en la siguiente sección.

Argumento permisivo

Se han encontrado ondas retinianas mientras se forman las vías retinogeniculadas específicas del ojo; sin embargo, en todas las especies estudiadas hasta la fecha, las ondas retinianas comienzan antes y continúan después de que se forman estas vías específicas del ojo. También se observa que algunas especies en las que se han documentado ondas retinianas tienen proyecciones que se cruzan. Esto sugiere que las ondas retinianas pueden estar presentes y no desempeñar un papel instructivo en las entradas específicas del ojo. [ 10 ] Hay varios aspectos a considerar al analizar los datos del uso de sustancias farmacológicas para bloquear la actividad retiniana. Primero, se desconocen los efectos a largo plazo del tratamiento con TTX, ya que aún no es posible monitorear la actividad retiniana durante un período prolongado en un animal intacto. [ 10 ] El hallazgo de que la inyección a largo plazo de TTX no inhibió, sino que simplemente retrasó, la formación de capas específicas del ojo podría explicarse entonces por los efectos reducidos de TTX sobre la actividad retiniana a una duración más prolongada. Esto respalda el argumento de que bloquear toda la actividad retiniana impide la formación de proyecciones específicas del ojo, lo cual aún está por determinarse. [ 10 ] Además, dado que el tratamiento con inmunotoxina para matar las células amacrinas estrelladas no muestra diferencias en la formación de proyecciones retinogeniculadas específicas del ojo, mientras que el tratamiento con epibatidina sí lo hace, podría sugerir que algún tipo de actividad retiniana es esencial para la formación de la capa específica del ojo, pero no las ondas retinianas. [ 10 ] Un estudio mostró que los ratones β2-nAChR-KO aún tenían una actividad de ondas retinianas robusta, a diferencia de lo informado previamente; sin embargo, encontraron que las ondas retinianas se propagaban usando uniones comunicantes en la línea knock-out, en lugar de la transmisión colinérgica que muestran los ratones de tipo salvaje. [ 10 ]

Referencias

  1. ↑ Willshaw, DJ; Der Malsburg, C. Von (1976). "Cómo se pueden establecer conexiones neuronales con patrones mediante la autoorganización". Actas de la Royal Society de Londres. Serie B, Ciencias Biológicas . 194 (1117): 431– 445. Bibcode : 1976RSPSB.194..431W . doi : 10.1098/rspb.1976.0087 . PMID 12510. S2CID 2498956 .  
  2. ↑ Galli, L.; Maffei, L. (1988). "Actividad de impulsos espontáneos de las células ganglionares de la retina de rata en la vida prenatal". Science . 242 (4875): 90– 91. Bibcode : 1988Sci...242...90G . doi : 10.1126/science.3175637 . PMID 3175637 . 
  3. ↑ Shatz, CJ (1996). "Surgimiento del orden en el desarrollo del sistema visual" . Actas de la Academia Nacional de Ciencias de los Estados Unidos de América . 93 ( 2): 602– 608. Bibcode : 1996PNAS...93..602S . doi : 10.1073/pnas.93.2.602 . PMC 40098. PMID 8570602 .  
  4. 1 2 3 4 5 6 Wong, ROL (1999). "Ondas retinianas y desarrollo del sistema visual". Annual Review of Neuroscience . 22 : 29–47 . doi : 10.1146/annurev.neuro.22.1.29 . PMID 10202531 . 
  5. ↑ Sernagor, E.; Mehta, V. (2001). "El papel de la actividad neuronal temprana en la maduración de la función retiniana de la tortuga" . Journal of Anatomy . 199 (Pt 4): 375– 383. doi : 10.1046/j.1469-7580.2001.19940375.x . PMC 1468348. PMID 11693298 .  
  6. ↑ Wong, ROL (1999). "Ondas retinianas: provocando una tormenta" . Neuron . 24 (3): 493– 495. doi : 10.1016/s0896-6273(00)81102-2 . PMID 10595499 . 
  7. 1 2 3 4 Ford, K., y M. Feller. "Formación de los primeros circuitos retinianos en la capa plexiforme interna". Webvision: La organización de la retina y el sistema visual. 27 de enero de 2012. Web. Webvision
  8. ↑ Firth, SI; Wang, CT; Feller, MB (2005). "Ondas retinianas: mecanismos y función en el desarrollo del sistema visual". Cell Calcium . 37 (5): 425– 432. doi : 10.1016/j.ceca.2005.01.010 . PMID 15820390 . 
  9. 1 2 3 4 5 6 7 8 Feller, M. (2009). " Es probable que las ondas retinianas instruyan la formación de proyecciones retinogeniculadas específicas del ojo" . Neural Development . 4 24. doi : 10.1186/1749-8104-4-24 . PMC 2706239. PMID 19580682 .  
  10. 1 2 3 4 5 6 7 8 Chalupa, LM (2009). "Es improbable que las ondas retinianas instruyan la formación de proyecciones retinogeniculadas específicas del ojo" . Neural Development . 4 25. doi : 10.1186/1749-8104-4-25 . PMC 2706240. PMID 19580684 .  

Lecturas adicionales

  • Feller, MB ; Wellis, DP; Stellwagen, D.; Werblin, FS; Shatz, CJ (1996). "Requisito de la transmisión sináptica colinérgica en la propagación de ondas retinianas espontáneas". Science . 272 ​​( 5265): 1182– 1187. Bibcode : 1996Sci...272.1182F . doi : 10.1126/science.272.5265.1182 . PMID 8638165. S2CID 11295283 .  
  • Wong, Rachel OL (1999). "Ondas retinianas y desarrollo del sistema visual". Annual Review of Neuroscience . 22 : 29–47 . doi : 10.1146/annurev.neuro.22.1.29 . PMID 10202531 .